DE2734110A1 - CHARGING SYSTEM AND METHOD OF CHARGING MULTICELLED STORAGE BATTERIES - Google Patents
CHARGING SYSTEM AND METHOD OF CHARGING MULTICELLED STORAGE BATTERIESInfo
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Description
United States Energy Research and Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.United States Energy Research and Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.
Ladesystem und Verfahren zum Laden mehrere Zellen aufweisenderMulti-cell charging system and method SpeicherbatterienStorage batteries
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen zur Wiederaufladung elektrochemischer Zellen und ist insbesondere anwendbar bei Zellen, die infolge von überladung eine Schädigung erfahren können. Wenn eine Vielzahl von Zellen in Serie geschaltet ist, so können sich verschiedene Zellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten als andere selbstentladen. Infolgedessen wird eine seriengeschaltete Ladequelle mit konstantem Strompegel eine zu hohe Spannung an diejenigen Zellen anlegen, die als erste vollständig geladen sind. Bei einigen Zellen, insbesondere Hochtemperatur-Schmelzsalzzellen mit Metallsulfiden als positiven Elektrodenmaterialien, können Bauteile oder Baukomponenten der Zelle in unerwünschte elektrochemische und korrodierende Reaktionen eintreten. Bei anderen Zellen mit wässrigem Elektrolyt kann Wasser durch Elektrolyse zu H2 und O2 verlorengehen. US-PS 3 887 396 beschreibt verschiedene elektrochemische Hochtemperaturzellen mit Schmelzsalzelektrolyt. Andere sich auf dieses Gebiet beziehende US-Patente sind die folgenden: 3 933 520 und 3 941 612. In diesem Zusammenhang sei ferner auf die DT-OS 26 54 633 und 26 57 585 hingewiesen.The invention relates to circuits for recharging electrochemical cells and is particularly applicable to cells which can be damaged as a result of overcharging. When a large number of cells are connected in series, different cells can self-discharge at different speeds than others. As a result, a series-connected charging source with a constant current level will apply too high a voltage to those cells that are the first to be fully charged. In the case of some cells, in particular high-temperature molten salt cells with metal sulfides as positive electrode materials, components or structural components of the cell can enter into undesired electrochemical and corrosive reactions. In other cells with aqueous electrolyte, water can be lost through electrolysis to form H 2 and O 2 . US Pat. No. 3,887,396 describes various high-temperature electrochemical cells with molten salt electrolyte. Other US patents relating to this area are the following: 3,933,520 and 3,941,612. In this connection, reference is also made to DT-OS 2,654,633 and 2,657,585.
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Bei den in diesen Anmeldungen dargestellten Zellen werden Metallchalcogenide wie beispielsweise Eisensulfide, Kupfersulfide, Kobaltsulfide und Nickelsufide als positive Elektrodenmaterialien verwendet, und zwar entgegengesetzt zu negativen Elektroden, welche als aktive Materialien die Alkalimetalle, die Erdalkalimetalle und Legierungen dieser Metalle verwenden, beispielsweise Lithium, Lithium-Aluminium, Lithium-Silicium, Calcium, Calcium-Aluminium, Calcium-Magnesium und Calcium-Silicium. Hochenergiezellen dieser Bauarten arbeiten in effektiver Weise mit Schmelzsalzelektrolyten einschließlich Zusammensetzungen der Alkalimetallhalogenide und der Erdalkalimetallhalogenide. Typische Elektrolyte sind LiCl-KCl, LiF-LiCl-KCl und CaCl2-NaCl.In the cells shown in these applications, metal chalcogenides such as iron sulfides, copper sulfides, cobalt sulfides and nickel sulfides are used as positive electrode materials, in contrast to negative electrodes, which use the alkali metals, the alkaline earth metals and alloys of these metals as active materials, for example lithium, lithium Aluminum, lithium-silicon, calcium, calcium-aluminum, calcium-magnesium and calcium-silicon. High energy cells of these types operate effectively with fused salt electrolytes including compositions of the alkali metal halides and the alkaline earth metal halides. Typical electrolytes are LiCl-KCl, LiF-LiCl-KCl and CaCl 2 -NaCl.
Batterieladeschaltungen für sekundäre elektrochemische Zellen dieser Typen machen eine genaue Steuerung der Ladespannung erforderlich, um die elektrochemische Zerlegung der Baukomponente ι innerhalb der Zelle zu verhindern. Beispielsweise beträgt bei einer Zelle, welche FeS als positives Elektrodenmaterial und Eisen oder auf Eisen basierende Legierungen als Stromkollektor und andere Baukomponenten verwendet, der obere Spannungspegel, der an die einzelne Zelle angelegt werden kann, ungefähr 1,63 Volt. Die Gleichgewichtsspannung, d.h. die bei voller Ladung an den offenen Kreis anlegbare Spannung für die Li-Al/FeS-Zelle beträgt ungefähr 1,33 V. Für die Li-Al/FeS^Zelle mit Molybdän als Stromkollektor beträgt der obere Pegel ungefähr 2,1 V bei einer Gleichgewichtsspannung von ungefähr 1,77 V. Die Ladungsspannungen müssen sich oberhalb der Gleichgewichtsspannung befinden, um eine volle Ladung zu erhalten. Jedoch kann bei Ladungsschemata, die Spannungspegel oberhalb der oberen Grenze an eine einzelne Zelle anlegen, ein elektrochemisches Angreifen durch den Elektrolyten an den Baukomponenten der Zelle zur Folge haben.Battery charging circuits for secondary electrochemical cells of these Types make a precise control of the charging voltage necessary to the electrochemical decomposition of the structural component ι within to prevent the cell. For example, in a cell which is FeS as the positive electrode material and iron or Iron-based alloys used as a current collector and other structural components, the upper voltage level applied to the single cell can be applied, approximately 1.63 volts. The equilibrium tension, i.e. the voltage that can be applied to the open circuit for the Li-Al / FeS cell when fully charged is approximately 1.33 V. For the Li-Al / FeS ^ cell with molybdenum as the current collector is the upper level approximately 2.1 V with an equilibrium voltage of approximately 1.77 V. The charge voltages must be above the equilibrium voltage in order to obtain a full charge. However, with charging schemes, the voltage levels can be above of the upper limit to a single cell, an electrochemical attack by the electrolyte on the components of the cell.
Üblicherweise verwenden Batterien aus diesen Zellen eine Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen, um die gewünschten Spannungspegel zu erhalten. Die Wiederaufladung dadurch, daß man einfach eine gesteuerte Spannung oder einen gesteuerten Strom einer derartigen in Serie geschalteten Batterie aufprägt,oder hindurchschickt, hatUsually, batteries from these cells use a plurality of cells connected in series to obtain the desired voltage levels. Recharging by simply having a controlled voltage or a controlled current of such a series-connected battery impresses, or sends through, has
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zur Folge, daß an einigen Zellen eine übermäßig große Spannung angelegt wird, bevor andere voll geladen sind. Einzelne Zellen in einem stärker geladenen Zustand können dabei Spannungspegeln ausgesetzt werden, die die elektrochemische Zerlegung der Baukomponenten der Zelle zur Folge haben. Ein derartiges Ungleichgewicht im Ladungszustand einzelner Zellen kann sich durch Variationen bei den Selbstentladeraten während des Gebrauchs ergeber.As a result, an excessive voltage is applied to some cells before others are fully charged. Single cells In a more strongly charged state, voltage levels can be exposed to the electrochemical decomposition of the components of the cell. Such an imbalance in the state of charge of individual cells can result from variations in terms of self-discharge rates during use.
Batterie-Systeme mit wässrigen Elektrolyten, wie beispielsweise die Blei-Säure-Batterie, besitzen einen gewissen innewohnenden Uberladungsschutz durch die Elektrolyse des Wassers. Obwohl dadurch die Zellenbauteile geschützt werden, so kann doch die Zellenlebensdauer durch den Verlust an Elektrolyt verkürzt werden. Darüber hinaus kann es in einigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei großen Reihen von Batterien zur Speicherung von Leistung während des Nicht-Spitzenverbrauchs, zweckmäßig sein, die Zellen abzudichten, um die Nachfüllung von Wasser zu eliminieren. Infolgedessen kann das erfindungsgemäße Ladesystem auch bei Batterien mit wässrigem Elektrolyten Verwendung finden.Battery systems with aqueous electrolytes, such as the lead-acid battery, have a certain inherent Overcharge protection through the electrolysis of the water. Though through it If the cell components are protected, the cell life can be shortened by the loss of electrolyte. In addition, it can be used in some applications, such as large series of batteries for storing Performance during non-peak consumption, it may be appropriate to seal the cells to eliminate water replenishment. As a result, the charging system according to the invention can also used in batteries with aqueous electrolytes.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Batterieladesystem vorzusehen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und bei einer in Serie geschalteten Vielzahl von Zellen Verwendung findet. Die Erfindung sieht ferner ein unkompliziertes System vor, um in bequemer Weise eine Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen wieder aufzuladen, und zwar mit einem periodischen Ausgleich der Zellenladung. Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren vor, um eine Vielzahl von in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen aufzuladen und dabei jeweils auszugleichen.The invention has set itself the goal of providing a battery charging system which does not have the disadvantages of the prior art and is used in a plurality of cells connected in series. The invention also provides a straightforward one System for conveniently recharging a large number of cells connected in series with a periodic Balance the cell charge. The invention also provides a method for a plurality of series-connected electrochemical Charging cells and balancing each time.
Zusammenfassung der Erfindung. Erfindungsgemäß wird ein Batterieladesystem vorgesehen, welches bei einener Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen Verwendung findet. Jede Zelle innerhalb der elektrischen Serienschaltung macht den Schutz gegenüber einer Überspannung bei oder nahe dem voll geladenen Zustand erforderlich. Das System umfaßt eine erste elektrische Schaltung zur Aufladung der in Serie geschalteten Zellen mit einem gesteuerten Strompegel.Summary of the invention. According to the invention, a battery charging system which is used with a plurality of cells connected in series. Every cell within the electrical series connection makes protection against an overvoltage required at or near fully charged. The system includes a first electrical circuit for charging of the cells connected in series with a controlled current level.
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Geeignete .teuermitte.1 sind vorgt sehen, um den Strompege in schrittweisen Inkrementen solange zu reduzieren, bis ein hinreichend niedriger Strom erreicht ist, um durch eine zweite Ladeschaltung fortgesetzt zu werden. Die zweite Ladeschaltung ist in der Lage,gleiche und gesteuerte Spannungen an jede einzelne Zelle in der Serie anzulegen.Appropriate control center. 1 are provided in order to reduce the current path in stepwise increments until a sufficiently low current is reached to be continued by a second charging circuit. The second charging circuit is able to apply equal and controlled voltages to each individual cell in the series.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der zweiten Ladeschaltung ist ein Transformator mit einer Primärwicklung und einer Vielzahl von Sekundärwicklungen vorgesehen. Die sekundären Leistungswicklungen und eine sekundäre Bezugswicklung si*-.d eng gekoppelt, um so eine gleichgerichtete Sekundärspannung vorzusehen, die eng der gleichgerichteten sekundären Bezugsspannung folgt. Eine hinreichende Anzahl von Sekundärwicklungen ist vorgesehen, und zwar für die Verbindung einer Wicklung mit eweils einem Paar von in Serie geschalteten Zellen. Jede dieser Wicklungen hat die gleiche Anzahl von Windungen, um eine gl iche Ladungsspannung für jede Zelle vorzusehen. Die Wicklungen sind parallel mit jeder Zelle des Paares verbunden, und zwar mit einem gemeinsamen Leiter zwischen den zwei Zellen des Paares. Die entgegengesetzte Klemme der Wicklung liegt über zwei HaIbwellengleichrichter an den die entgegengesetzte Polaritc't aufweisenden Klemmen des Zellenpaares.In a special embodiment of the second charging circuit a transformer with a primary winding and a plurality of secondary windings is provided. The secondary Power windings and a secondary reference winding si * -. D eng coupled so as to provide a rectified secondary voltage closely to the rectified secondary reference voltage follows. A sufficient number of secondary windings is provided, specifically for the connection of one winding with each other a pair of cells connected in series. Each of these windings has the same number of turns to provide an equal charge voltage for each cell. The windings are connected in parallel to each cell of the pair with a common conductor between the two cells of the pair. The opposite terminal of the winding is over two half-wave rectifiers to the opposite polarity terminals of the pair of cells.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Aufladung einer Vielzahl von in Serie geschalteten Zeller derart, daß jede einzelne Zelle gegenüber einer Überspannung bei oder nahe voller Ladung geschützt ist. Das Verfahren siel· t vor, daß zuerst ein Anfangsladestrom durch die Vielzahl der ii Serie geschalteten Zellen geschickt wird, und sodann wird wiederholt dieser Ladestrom reduziert, bis ein vorbestiiunter Strom t.n der Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen enalten wird. Die Ladungsausgleichung oder Äqualisation wird sodann dadurch durchgeführt, daß man eine gesteuerte Spannung an jede der Zellen innerhalb der Serie anlegt.A further aspect of the invention consists in a method for charging a plurality of cells connected in series in such a way that each individual cell is protected from an overvoltage at or near full charge. The method fell · t before that first an initial charge current is sent through the plurality of ii series connected cells, and then the charging current is reduced is repeated until a current vorbestiiunter tn of the plurality of cells connected in series is enalten. Charge equalization or equalization is then performed by applying a controlled voltage to each of the cells within the series.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie ais der BeschreibungFurther advantages, goals and details of the invention emerge in particular from the claims and from the description
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/on Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:/ on embodiments based on the drawing; in the drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Batterieladesystems; Fig. 1a ein <Teilschema einer Abwandlung des Systems der Fig. 1;1 shows a schematic representation of a battery charging system; 1a shows a partial schematic of a modification of the system of FIG. 1;
Fig. 2 eine mehr ins einzelne gehende Darstellung einer Hochgeschwindigkeit sauf ladevorrichtung;Figure 2 is a more detailed illustration of high speed drink charger;
Fig. 3 eine graphische Darstellung eines typischen Wiederaufladeprofils der Durchschnittsspannung, abhängig vom Ladezustand, für die Hechgeschwindigkeitsladevorrichtung und FeS/LiAl-Zellen;Figure 3 is a graphical representation of a typical recharge profile the average voltage, depending on the state of charge, for the high speed charger and FeS / LiAl cells;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Stroms und des Ladungszustandes, abhängig von der Zeit, und zwar unter Verwendung einer Äqualisierungsschaltung mit einer FeS/LiAl-Ba* terie von Zellen für die Zellen mit der höchsten Selbstentladungsgeschwindigkeit. 4 shows a graphic representation of the current and the state of charge, depending on the time, using an equalization circuit with a FeS / LiAl-Ba * number of cells for the cells with the highest rate of self-discharge.
Fig. 1 zeigt ein Batterieladesystem zur Wiederaufladung einer Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen 11. Das System ist unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeitsladevorrichtung 13 dargestellt, .Ue über einen Relaisschalter in Serie mit den Zellen liegt, und wobei das System ferner eine zweite Ladeschaltung aufweist, um die .adung für die einzelnen Zellen zu ergänzen oder zu äqualsieren (auszugleichen). Die Zellenäqualisierschaltung verwendet einen Transformator 15 mit einer Primärwicklung 17 und einer Vielzahl von Sekundärwicklungen 19 und 35. Es sind hinreichend viele Sekundärwicklungen vorgesehen, um jeweils eine mit jedem Paar von Zellen zu kuppeln, wie dies bei 11a mit 11b und 11c mit 11d dargestellt ist. Die Wicklung 35 erzeugt eine Bezugsrückkopplungsspannung zum Zwecke der Regelung, und zwar ist diese Spannung nahezu g^ »ich der gleichgerichteten Leerlaufausgangsspannung (Spannung der offenen Schaltung) einer Sekundärwicklung 19.Fig. 1 shows a battery charging system for recharging a variety of cells connected in series 11. The system is shown using a high speed charger 13, .Ue is in series with the cells via a relay switch, and wherein the system further comprises a second charging circuit to the To supplement or equalize the charge for the individual cells (compensate). The cell equalization circuit uses a transformer 15 having a primary winding 17 and a plurality of Secondary windings 19 and 35. A sufficient number of secondary windings are provided, one with each pair of cells to be coupled, as shown at 11a with 11b and 11c with 11d. The winding 35 produces a reference feedback voltage to the Purposes of regulation, and this voltage is almost the same rectified open circuit output voltage (voltage of the open circuit) of a secondary winding 19.
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Jede der Sekundärwicklungen 19 ist mit einem Paar von aufzuladenden, in Serie geschalteten Zellen verbunden, und zwar mittels eines, gemeinsamen Leiters 21 mit einer Klemme 22 zwischen den beiden Zellen eines Paares und durch zwei Halbwellengleichrichter 23, die als Dioden angeordnet dargestellt sind, und zwar gabelartig von dem entgegengesetzten Ende der Sekundärwicklungen aus. Die zwei Halbwellengleichrichter 23, die mit jedem Zellenpaar verbunden sind, sind entgegengesetzt gerichtet und sie sind mit den Klemmen 25 und 27 mit entgegengesetzten Polen am Zellenpaar angeschlossen. Die Ausrichtung der Halbwellengleichrichter bezüglich des Batteriezellenpaares gestattet es, daß jede Zelle des Paares abwechselnd geladen wird und ruht, und zwar während der abwechselnden Halbwellen des vom Tranformator kommenden Stromes.Each of the secondary windings 19 is to be charged with a pair of cells connected in series, namely by means of a, common conductor 21 with a terminal 22 between the two cells of a pair and through two half-wave rectifiers 23, which are shown arranged as diodes, in a fork-like manner from the opposite end of the secondary windings. the two half-wave rectifiers 23 connected to each pair of cells are directed in opposite directions and they are connected to the pair of cells by terminals 25 and 27 with opposite poles. The alignment of the half-wave rectifiers with respect to the pair of battery cells allows each cell of the pair is alternately charged and rests, namely during the alternating half-waves of the current coming from the transformer.
Die Transformator-Primärwicklung 17 wird durch einen Rechteckwellen-Oszillator 29 und Gleichrichter 31 gesteuert. Die Primärspannung wird durch den Schaltregulator 3 3 und die Bezugsrückkopplungswicklung 35 gesteuert. Diese Art einer Reguliervorrichtung zusammen mit einem geeigneten Filter 37 entfernt die geradzahlig harmonische Frequenz und andere auftretende Leitungsstörungen.The transformer primary winding 17 is made up of a square wave oscillator 29 and rectifier 31 controlled. The primary voltage is provided by the switching regulator 33 and the reference feedback winding 35 controlled. This type of regulator together with a suitable filter 37 removes the even harmonic Frequency and other line disturbances that occur.
Durch die Verwendung des Rechteckwellen-Oszillators 29 mit einer gesteuerten Spannungseingangsgröße kann während jedes Stromimpulses ein gesteuerter Wert der Steuer- oder Treiberspannung vorgesehen werden. Dies ist von Wichtigkeit, da die über die Sekundärwicklungen 19 mit den einzelnen Zellen gekoppelte Spannung unterhalb eines begrenzten Wertes liegen muß, um den chemischen Abbau der Zellenkomponenten zu verhindern. Die Spannungsausgangsgrößen jeder der Sekundärwicklungen 19 werden so dicht als möglich gleichgemacht, und zwar durch Vorsehen einer gleichen Anzahl von Windungen in jeder Wicklung. Eine enge Tranformatorkopplung, d.h. minimierter Magnetpfad zwischen Sekundärwicklungen, schafft eine niedrige Ausgangsimpedanz und ein enges Folgen der Sekundärseite der rückgekoppelten Sekundärspannung. Diese engen oder genauen Steuerungen sollen einen Teil der Unbeständigkeit in den sekundären Spannungsausgangsgrößen minimieren. Eine zusätzliche Hauptquelle der Nicht-Gleichheit der Ausgangsspannungen ist die Nicht-Gleichförmig-By using the square wave oscillator 29 with a controlled voltage input, during each current pulse a controlled value of the control or drive voltage can be provided. This is important because it's about the secondary windings 19 The voltage coupled with the individual cells must be below a limited value in order to prevent chemical degradation to prevent the cell components. The voltage outputs of each of the secondary windings 19 are made equal as closely as possible, by providing an equal number of turns in each winding. A tight transformer coupling, i.e. minimized Magnetic path between secondary windings, creates a low output impedance and closely following the secondary of the secondary voltage fed back. These tight or precise controls are intended to part of the volatility in the secondary voltage outputs minimize. An additional major source of non-equality of output voltages is non-uniform-
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keit des Gleichrichterspannungsabfalls. Diese Quelle wird minimiert durch Anpassung der Gleichrichter-Spannungs-Ampere-Kennlinien und Verwendung von temperaturausgleichenden Gleichrichteranbringungen .rectifier voltage drop. This source is minimized by adapting the rectifier-voltage-ampere characteristics and using temperature-compensating rectifier attachments .
üblicherweise werden elektrochemische Zellen, die Schmelzsalzelektrolyte verwenden, auf erhöhten Temperaturen von beispielsweise 375 bis 6OO°C gehalten. Diese Zellen befinden sich daher innerhalb eines isolierten Gehäuses. Um die elektrischen Komponenten wie beispielsweise die Halbwellengleichrichter 23 zu schützen, sind sie außerhalb des Gehäuses auf Umgebungstemperatur angeordnet. Für einen konsistenten Betrieb sind Temperaturausgleichs mittel vorgesehen, wie sie bei 30 dargestellt sind, um die Dioden 23 und ähnliche Dioden 32 in der Rückkopplungsschaltung auf ungefähr der gleichen Temperatur zu halten, und zwar innerhalb eines Bereichs von ungefähr 5°C. Die Temperaturausgleichs- oder Äqualisiermittel 30 können beispielsweise in der Form einer gemeinsamen Befestigungsplatte aus Metall oder einem anderem thermisch leitenden Material vorgesehen sein, um als eine Konstanttemperatur-Wärmefalle für jede Diode zu wirken.Usually electrochemical cells, the molten salt electrolytes use, kept at elevated temperatures of, for example, 375 to 600 ° C. These cells are therefore located inside an insulated housing. To the electrical components such as the half-wave rectifier 23 to protect, they are arranged outside the housing at ambient temperature. Temperature compensation is required for consistent operation means, as shown at 30, to approximate diodes 23 and similar diodes 32 in the feedback circuit the same temperature within a range of about 5 ° C. The temperature equalization or equalization means 30 may for example be in the form of a common mounting plate made of metal or some other thermally conductive Material can be provided to act as a constant temperature heat trap for each diode to act.
Für die Batteriekonstruktion ist es wichtig, daß die Leiter, wie beispielsweise gemeinsame Leiter 21, und die Leiter von den Klemmen 25und 27 der elektrochemischen Zellen hinreichend klein sind, beispielsweise eine Drahtstärke von 14 U.S.-Gage aufweisen, um so einen übermäßigen Wärmeverlust zu verhindern.It is important to battery construction that the conductors, such as common conductors 21, and the conductors from the terminals 25 and 27 of the electrochemical cells are sufficiently small for example, wire gauge of 14 U.S. gage to thus preventing excessive heat loss.
Die verschiedenen Komponenten der Fig. 1 einschließlich der Halbwellengleichrichter 23, des Transformators 15, des Oszillators 29, des Gleichrichters 31, des Filters 37 und der Schaltreguliervorrichtung 33 sind im Handel verfügbar und können vom Fachmann konstruiert werden. Jede dieser Komponenten ist in entsprechender Weise bemessen, und zwar abhängig von der speziellen elektrischen Belastung. Es können auch verschiedene andere Komponenten im Rahmen der Erfindung Verwendung finden. Beispielsweise können die Halbwellengleichrichter 23, wie gezeigt, Dioden sein oder aber geeigneteThe various components of Figure 1 including the half-wave rectifier 23, the transformer 15, the oscillator 29, the rectifier 31, the filter 37 and the switching regulator 33 are commercially available and can be designed by those skilled in the art. Each of these components is in corresponding Dimensioned wisely, depending on the specific electrical load. There can also be various other components in the frame the invention find use. For example, the half-wave rectifier 23, as shown, be diodes or suitable ones
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Transistoren betrieben als Synchrongleichrichter, d.h. Transistoren, die synchron zwischen der gesättigten und der Ausschaltbetriebsart umgeschaltet werden.Transistors operated as synchronous rectifiers, i.e. transistors, which are switched synchronously between the saturated and the switch-off mode.
Transformator 15 und Schaltregulator 33 sind in geeigneter Weise aufgebaut und derart bemessen, um in den Sekundärspulen 19 nahezu gleiche und konstante Leerlaufausgangsgrößen zu erzeugen.Transformer 15 and switching regulator 33 are constructed in a suitable manner and dimensioned in such a way that in the secondary coils 19 almost to generate equal and constant idle output values.
Bei einer praktischen Durchführung der Erfindung ist es erforderlich, Mittel zu verwenden zur Ladung an individuellen Batteriezellen mit kompensierender Ladung am gleichrichtenden Ausgang der rückkoppelnden Sekundärseite» um sicherzustellen, daß die Leerlaufausgangsspannung nicht über den Wert bei voller Last um einen übergroßen Betrag ansteigt. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine adequate Ladung zur Verminderung der Größe der Änderung der Ausgangsspannung dadurch erreicht werden, daß man auf den minimalen Selbstentladestrom der Batteriezelle vertraut. Wenn dieser nicht bekannt ist oder unter den Zellen eine zu starke Verschiedenheit aufweist, so kann gemäß Fig. 1a vorgegangen werden.In a practical implementation of the invention, it is necessary Means to be used for charging individual battery cells with a compensating charge at the rectifying output the feedback secondary »to ensure that the no-load output voltage does not exceed the value at full Load increases by an excessive amount. In some embodiments, adequate charging can be used to reduce the The size of the change in the output voltage can be achieved by relying on the minimum self-discharge current of the battery cell trusted. If this is not known or if the difference between the cells is too great, then according to FIG. 1a be proceeded.
In Fig. 1a ist die Transformator-Sekundärseite 19a über Dioden 23a mit Zellen 11e und 11f gekuppelt. Widerstände 71 und 73 liegen an jeder Zelle in Serie mit Transistoren 75 und 77, um Aufladung nur während der Ladung vorzusehen. Der Widerstand 79 ist derart ausgewählt, daß Transistoren 75 und 77 nur dann leiten, wenn die Transformatorsekundärwicklung 19a Leistung für die Batterieladung liefert. Wenn kontinuierliches Laden zulässig ist, so können die Transistoren und Widerstand 79 weggelassen werden und die Widerstände 71 und 73 können direkt an jede der Zellen angeschlossen werden. Ein weiterer Widerstand 81 ist in der Schaltung dargestellt, welche die RückkopplungsSekundärwicklung 35a und Dioden 32a mit der Steuerschaltung verbindet. Widerstand 81 dient zur Kompensation der Wirkung des Ladestromes in der Rückkopplungsschaltung.In FIG. 1a, the transformer secondary 19a is coupled to cells 11e and 11f via diodes 23a. Resistors 71 and 73 are on each cell in series with transistors 75 and 77 to Charging to be provided only during charging. The resistor 79 is selected such that transistors 75 and 77 only conduct when the transformer secondary 19a provides power to charge the battery. When continuous charging is allowed is, the transistors and resistor 79 can be omitted and the resistors 71 and 73 can be connected directly to each of the Cells are connected. Another resistor 81 is shown in the circuit which forms the feedback secondary winding 35a and diodes 32a connected to the control circuit. Resistor 81 is used to compensate for the effect of the charging current in the feedback circuit.
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Die Leerlaufspannung für die Zellen wird so einreguliert, daß sie nicht größer ist als die Ladevoltgrenze für die in Ladung befindliche Zelle. Zur Erreichung dieser Regulierung kann der Schaltregulator 33 irgendeine von verschiedenen verfügbaren Ausbildungen sein, und zwar der Transistorschaltbauart. Die Wahl der Betriebsweise ist nicht kritisch im Hinblick auf die Erfindung.The open circuit voltage for the cells is regulated so that it is not greater than the charge voltage limit for the cell being charged. To achieve this regulation, the Switching regulator 33 could be any of several available forms, namely, transistor switch type. The choice of Operation is not critical to the invention.
Der Rechteckwellenoszillator 29 ist von einer solchen Bauart, daß er bei einer hinreichend hohen Frequenz von beispielsweise 400 Hz arbeitet, um die Verwendung kleiner Oszillatorkomponenten von niedrigen Kosten zu gestatten. Frequenzen wesentlich oberhalb dieses Werts erfordern teurere und weniger leicht verfügbare Halb-Wellengleichrichter bei 23.The square wave oscillator 29 is of such a type that it operates at a sufficiently high frequency of, for example, 400 Hz works to permit the use of small, low cost oscillator components. Frequencies well above this Worth more expensive and less readily available half-wave rectifiers at 23.
Der Äqualisierungsteil des Batterieladesystems gemäß Fig. 1 kann bequem vom Fahrzeug getragen werden. Dies gestattet die Verbindung der Äqualisierschaltung mit einer üblichen Wechselst.Omquelle 39 zum Zwecke der Aufladung immer dann, wenn dies notwendig ist, und zwar ohne die Verwendung einer unzuverlässigen, mehrere Leiter aufweisenden elektrischen Verbindung.The equipping part of the battery charging system according to FIG. 1 can be conveniently carried by the vehicle. This allows the connection the equalization circuit with a common alternating current source 39 for the purpose of charging whenever necessary, without the use of an unreliable, several Conductor having electrical connection.
Fig. 2 zeigt die Hochgeschwindigkeitsladeschaltung im einzelnen. Obwohl irgendeine geeignete Ladespannung mit Transformatorkopplung vorgesehen sein kann, kann eine hinreichende Anzahl von Zellen 11 in Serie zum Zwecke der Ladung geschaltet werden, so daß die Netzspannung Verwendung finden kann. Beispielsweise kann eine 220 Volt-Wechselstromquelle bei 51 benutzt werden, um eine Batterie von annähernd 165 V maximaler Klemmenspannung zu verwenden.Fig. 2 shows the high speed charging circuit in detail. Although any suitable charging voltage with transformer coupling can be provided, a sufficient number of cells 11 can be connected in series for the purpose of charging, so that the mains voltage can be used. For example, a 220 volt AC power source at 51 can be used to power a battery of approximately 165 V maximum terminal voltage should be used.
Strommodulations- und Glättungs-Mittel 53 umfassen Komponenten für die Gleichrichtung, die Steuerung und die Filterung der Wechselstromeingangsgröße. Lediglich beispielsweise sei erwähnt, daß ein gesteuerter Siliciumgleichrichter mit einer geeigneten Dioden- und Filteranordnung als Mittel 53 verwendet werden kann.Current modulation and smoothing means 53 include components for rectifying, controlling and filtering the AC input. It should only be mentioned, for example, that a controlled silicon rectifier with a suitable diode and filter arrangement can be used as means 53.
Die Mittel 53 liefern eine gefilterte, gleichgerichtete Ausgangsgröße, um schnelle Ladegeschwindigkeiten zuzulassen, und zwar mit einem maximalen Strom von annähernd dem Dreifachen, der sonst für The means 53 provide a filtered, rectified output to allow fast charging rates, with a maximum current of approximately three times that otherwise
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eine gegebene Batterie von in Serie geschalv en Zellen erfügbar ist. Dies geschiebt durch dit Elimination von sehr kurzen hohen Spannungsspitzen, welche den elektroc*ei, ischen Abb ju der Zellenbaukomponenten hervorrufen können.a given battery of geschal v s cells in series is available is. This geschiebt by dit elimination of very short high voltage spikes that ei the elektroc * een fig j u can Zellenbaukomponenten the cause.
Strom-und Spannungsfühler 97 und 59 erzeuger die geeignete Eingangsgröße für Steuerschaltung 61, um die gewünschte Stromsteuerung durch die Stronunodulier- unc Glättungs-Mittel 53 zu gestattenCurrent and voltage sensors 97 and 59 generate the appropriate input variable for control circuit 61 in order to allow the desired current control by the current unodulating and smoothing means 53
Aus Sicherheitsgründen ist ein Fehlerstromdftektor 63 da-gestellt, der sowohl mit Erde 65 als auch mit dem Fa>rzeugfahrges:ell 67 verbunden ist. Der Detektor 63 öffnet augenllicklich eine Steuerschaltung in 61 oder ein anderes geeignetes Relais, um de Wechselstromquelle 51 abzuschalten, wenn eir Stromfluß z*r Erde festgestellt werden sollte. Diese Anordnung schützt eine Benutzer, der das Fahrzeug berührt, während er auf Erde st-ht.For safety reasons, a fault current detector 63 is provided, the one with earth 65 as well as with the vehicle vehicle: ell 67 connected is. The detector 63 instantly opens a control circuit in 61 or another suitable relay to switch off the AC power source 51 when a current flows to earth should be established. This arrangement protects a user who touches the vehicle while standing on earth.
Beim Betrieb des beschriebenen Batterieladesystems wird · ie Hochgeschwindigkeitsladevorrichtung anfangs über Schalter 14 in Serie mit der Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen 11 geschaltet und eine Konstantstromladung wird durch die Zellen hindurch aufrechterhalten. Das Zellenäqualisationssysten, welches parallel mit den Zellen über Transformator 15 gekuppelt ist, kann während dieser Periode entweder im Betrieb sein oder über geeignete Relais innerhalb der Wechselstromle.-stungsleitung abgeschaltet sein. Wenn sich die Hochgesciwindigkeitsladevorrichtung im Betrieb befindet, so kann die Zellenäqualisaticnsladevorrichtung nnr eine vernachlässigbare Wiederaufladegroße infolge ihrer niedr gen Strom kapazität beitragen.When operating the battery charging system described, the high-speed charging device is initially connected in series with the plurality of cells 11 connected in series via switches 14 and a constant current charge is maintained through the cells. The cell equalization system, which is coupled in parallel with the cells via transformer 15, can either be in operation during this period or be switched off via suitable relays within the AC power line. When the high speed charger is in operation, the cell equivalent charger can only contribute negligible recharge due to its low power capacity.
Die anfängliche Ladegeschwindigkeit der Hochgeschwindigkeitsladevorrichtung wird auf ein hinreichend hohes Niveau eingestellt, um die Batterie innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne aufzuladen, und zwar ohne die Strom-oder Spannungsgrenzen irgendeiner Zelle zu überschreiten. Beispielsweise sind typische Ladegeschwindigkeiten oder -raten die ungefähr 5 oder 10 Stunden-Rate, d.h. der Strom, der idealerweise benötigt wird, um eine volleThe initial charging speed of the high-speed charger is set to a high enough level to charge the battery within a reasonable amount of time, without the current or voltage limits of any Cell to cross. For example, typical charging speeds or rates are the roughly 5 or 10 hour rate, i.e. the current that is ideally needed to generate a full
708885/1008 ^708885/1008 ^
Ladung einer vollständig en iladei en Zelle innerhalb dieser Zeit zu erteilen. Die Aufladung mit der anfänglichen Rate wir-i solange fortgesetzt, bis eine vorbestimmte Abschaltspannung an dur Vielzahl der in Serie geschalteten Zellen erreicht wird. Diese Abschaltspannung kann dadurch abgeschätzt werden, daß man /ernünftige Annahmen hinsichtlich der existierenden Extrembedingu igen macht.Charge a completely empty cell within this time granted. Charging at the initial rate will last for as long continued until a predetermined cut-off voltage was applied to the multitude of the cells connected in series is achieved. This cut-off voltage can be estimated that one / reasonable Makes assumptions about the existing extreme conditions.
Pur den extremsten Fall wird angenommen, daß eine Zelle '-ine niedrige Selbstentladungsrate besitzt, während mar von den ver'bleibenden Zellen (N-1-Zellen) annimmt, daß sie hohe Selbstentl. dungsraten besitzen. Die Differenz dieser Selbstentladungsraten über die Periode zwischen den Äqualisierungen, beispielsweise eine Woche, ergibt angenommendermaßen einen kumulativen Zustand der .adedifferenz von ungefähr 5%. Während der Aufladung wird der g. aduelle und konstant ansteigende Ladungszustand sämtlicher Zelle", von einem Spannungsanstieg begleitet. Die eine einzigartige Zelle verbleibt auf einer höheren Klemmenspannung infolge des höheren Zu tandes ihrer anfänglichen Ladung. Zum Zwecke der Erläuterung wi d die Beziehung des Ladungszustands u zur Klemmenspannung E wäh end des Ladens irgendeiner Zelle als durch die folgende Gleichun gegeben angenommen, wobei diese Gleichung eine Variation derjenigen Gleichung ist, die von Sheppard, U.S. Naval Research Laboratory, in Journal of Electrochemical Society, Juli 1965, Seiten 657-664, angegeben wurde:In the most extreme case it is assumed that a cell '-a low Self-discharge rate, while mar of the remaining Cells (N-1 cells) assume that they have high self-discharge. own training rates. The difference in these self-discharge rates over the Period between equations, for example a week, is assumed to result in a cumulative state of the charge difference of about 5%. While charging, the g. adual and constantly increasing state of charge of all cells ", of one Accompanied by an increase in tension. The one unique cell remains at a higher terminal voltage due to the higher state their initial charge. For the purpose of explanation, the relationship between the state of charge u and the terminal voltage E during the Loading of any cell is assumed to be given by the following equation, this equation being a variation of that equation is that of Sheppard, U.S. Naval Research Laboratory, in Journal of Electrochemical Society, July 1965, pp. 657-664, was specified:
ET = Eoc + i(R + (1) E T = Eoc + i (R + (1)
dabei ist E-, die Klemmenspannung, Eoc die Leer lauf spannung, R der äquivalente Zellenwiderstand, K eine empirisch bestimmte Konstante, u der Ladungszustand, gegeben als Anteil der vollen Ladekapazität.where E- is the terminal voltage, Eoc is the no-load voltage, R is the equivalent cell resistance, K is an empirically determined constant, u is the state of charge, given as a percentage of the full Loading capacity.
Fig. 3 veranschaulicht Gleichung 1 vorausgesagt für eine FeS/LiAl-Zelle mit Strömen von 60 A, 30 A, 15 A, 7,5 A und 3,75 A.3 illustrates Equation 1 predicted for a FeS / LiAl cell with currents of 60 A, 30 A, 15 A, 7.5 A and 3.75 A.
70Θ885/100870-885 / 1008
-yi--yi-
Für eine 3OO A-h-Zelle entsprechen diese 5 Kurven den 5, 1O, 20f 40 und 80 Stunden-Ladegeschwindigkeiten oder -raten. Für dieses System ist Eoc 1,33 V und ^Tmax ist 1,63 V. Oberhalb 1,63 V wird FeS- elektrochemisch gebildet, was eine Korrosion der Eisenkomponenten innerhalb des Zellengebildes zur Folge hat. Die Werte von R und K wurden für diese Zelle mit annähernd 0,002 Ohm und 0,000278 berechnet.For a 300 Ah cell, these 5 curves correspond to the 5, 10, 20f, 40 and 80 hour charge speeds or rates. For this system, Eoc is 1.33 V and Tmax is 1.63 V. Above 1.63 V, FeS is formed electrochemically, which results in corrosion of the iron components within the cell structure. The values of R and K for this cell were calculated to be approximately 0.002 ohms and 0.000278, respectively.
Die eine einzigartige Zelle kann auf einem Zustand(u,) aufgeladen werden und zwar entsprechend der BegrenzungsspannungThe one unique cell can be charged to one state (u,) according to the limit voltage
(E_ = 1,63 für FeS/LiAl) und die spezielle Laderate (ij. xmax(E_ = 1.63 for FeS / LiAl) and the special charge rate (ij. xmax
Diese Werte von u. werden bestimmt durch das Schneiden der Gleichung 1-Kurven mit E . Um diese eine einzigartige Zell'2 zu schützen, muß die Hochgeschwindigkeitsladevorrichtung eine Abschaltspannung an der gesamten Vielzahl von in Serie geschalteten Zellen aufweisen, die niedriger liegt als die von irgendeiner anderen Kombination von Zellen. Diese Grenzspannung ist annähernd:These values of u are determined by intersecting the equation 1 curves with E. To make this a unique cell'2 too protect, the high-speed charger must apply a cut-off voltage across the plurality of series-connected Cells lower than any other combination of cells. This limit voltage is approximately:
N(EOc + I ()>) «ir M»1 (2),N (EOc + I ( )>) «ir M» 1 (2),
dabei ist N die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen, uft ist der Ladungszustand der einen einzigartigen Zelle, Δ u ist die Differenz zwischen der Ladung der einen einzigartigen Zelle und dem Rest der Zelle.where N is the number of cells connected in series, u ft is the state of charge of the one unique cell, Δ u is the difference between the charge of the one unique cell and the rest of the cell.
Die Kurven W und D in Fig. 3 entsprechen wöchentlichen und täglichen Äqualisationen mit Au von 0,048 bzw. 0,008 in Gleichung 2. Der Schnitt der Kurven W oder D mit jeder der Stromkurven entspricht der maximalen sicheren Abschaltspannung, ausgedrückt als eine durchschnittliche Zellenspannung an der gesamten Vielzahl der in Serie geschalteten Zellen beim angegebenen Strom.Curves W and D in Figure 3 correspond to weekly and daily Equations with Au of 0.048 and 0.008, respectively, in Equation 2. The intersection of curves W or D with each of the current curves corresponds the maximum safe shutdown voltage, expressed as an average cell voltage across the multitude of the cells connected in series at the specified current.
Bei Verwendung der Hochgeschwindigkeitsladevorrichtung an einer Vielzahl von FeS/LiAl-Zellen in Serie kann die Ladung mit einer 5-Stunden-Rate (60 A für 300 Ah-Zelle) fortschreiten, bis eine durchschnittliche Zellenspannung von 1,57 an den Batterieklemmen erreicht ist. Die Laderate wird sodann längs der gestricheltenWhen using the high speed charger on a Variety of FeS / LiAl cells in series can charge with one 5 hour rate (60 A for 300 Ah cell) progress to one average cell voltage of 1.57 is reached at the battery terminals. The charge rate is then along the dashed line
709885/1008709885/1008
273A110273A110
Linie entsprechend u = 0,85 reduziert, beispielsweise auf die 10 Stunden-Rate. Die Ladung bei 30 A setzt sich fort, bis eine durchschnittliche Abschaltspannung von ungefähr 1,49 erreicht ist, und eine zweite Reduktion auf die 20 Stunden-Rate (15 A) ist dargestellt. Diese wiederholte Aufladung auf eine vorbestimmte Abschaltspannung gefolgt,von einer Reduktion des Ladestromes, wird solange fortgesetzt, bis ein hinreichend niedriger Strom erhalten ist, um von der Zellenäqualisationsschaltung ausgeführt werden zu können. Zu diesem Zeitpunkt wird die Hochgeschwindigkeitsaufladung beendet und die Zellenäqualisationsschaltung vollendet den Ladevorgang. Für die Batterie der in Serie geschalteten 3OO Ah-FeS/LiAl-Zellen, dargestellt in Fig. 3, erreichen fünf Stromreduktionsschritte, jeder die Hälfte des vorhergehenden Stromes, eine 160 Stunden-Laderate von 1,875 A, was ungefähr ein geeigneter Pegel für die Zellenäqualisationsschaltung ist.Line reduced according to u = 0.85, for example to the 10 hour rate. The charge at 30 A continues until an average cut-off voltage reaches approximately 1.49 and a second reduction to the 20 hour rate (15 A) is shown. This repeated charging to a predetermined one Cut-off voltage followed by a reduction in the charging current is continued until a sufficiently low current is obtained to be performed by the cell equalization circuit. At this time, the high-speed charging will be terminates and the cell equalization circuit completes the charging process. For the battery of the series connected Reach 300 Ah FeS / LiAl cells, shown in FIG. 3 five current reduction steps, each half of the previous current, a 160 hour charge rate of 1.875 A, which is approximately is a suitable level for the cell equalization circuit.
Im anderen Extremfall, d.h. dort, wo eine Zelle eine hohe Selbstentladungsrate besitzt, und die N-1-Zellen eine niedrige Selbstentladungsrate aufweisen, müssen die obigen maximalen Abschaltspannungen ebenfalls verwendet werden. Dies ist deshalb der Fall, weil bei einem für Massenproduktion geeigneten System man sich nicht über die Selbstentladeraten im klaren ist und somit auch nicht über den Zustand der Ladungsverteilung in einer gegebenen Batterie aus Zellen, und daher muß der ungünstigste Fall angenommen werden. In dem günstigeren Fall können N-1-Zellen nur auf den u- - &u-Zustand geladen werden, während die einzigartige Zelle mit niedriger Anfangsladung nur auf den u - 2Au-Zustand aufgeladen werden kann.In the other extreme case, i.e. where a cell has a high rate of self-discharge and the N-1 cells have a low self-discharge rate the above maximum cut-off voltages must also be used. This is the case because with a system suitable for mass production one is not clear about the self-discharge rates and thus also does not tell about the state of charge distribution in a given battery of cells, and therefore worst case must be assumed will. In the more favorable case, N-1 cells can only be charged to the u - & u state, while the unique Low initial charge cell only to the u - 2Au state can be charged.
Das Zellenäqualisationssystem wird in geeigneter Weise verwendet, um jede der Zellen auf den vollständig geladenen Zustand zu bringen, nachdem die Hochgeschwindigkeitsladung beendet ist. Im Betrieb wird eine gleiche Rechteckwellenspannung für jedes Paar von Zellen für jede der Vielzahl von Sekundärtransformatorwicklungen 19 verfügbar gemacht. Während eines Halbzyklus des Rechteckwellenwechselstroms wirddie Ladung an eine der beiden Zellen eines Paars über einen der Halbwellengleichrichter oder Dioden 23 angelegt.The cell equilibration system is appropriately used to bring each of the cells to the fully charged state, after the high-speed charge is finished. In operation, an equal square wave voltage is used for each pair of Cells for each of the plurality of secondary transformer windings 19 are made available. During a half cycle of the square wave alternating current the charge is applied to one of the two cells of a pair via one of the half-wave rectifiers or diodes 23.
709885/1008709885/1008
273ΑΊ10273-10
Die Schaltung wird vervollständigt durch den gemeinsamen Leiter 21, der zwischen dem Paar von Zellen verbunden ist. Während des darauffolgenden Halbzyklus leiten die verbleibenden Dioden, um die verbleibende Zelle jedes Paares von Zellen aufzuladen, wobei wiederum Strom durch den gemeinsamen Leiter 21 fließt. Dieses System hat eine Anzahl von Vorteilen, wie beispielsweise die Verwendung von nur einer Transformatorverdrahtung für jedes Paar von Zellen und die Verwendung von nur einem Halbwellengleichrichter oder einer Diode für jede einzelne Zelle. Das System minimiert ferner die Anzahl der Leiter, die aus dem Hochtemperaturbatteriegehäuse zu den Batterieladekomponenten herausgeführt werden müssen, die auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden. Dies vermindert den Wärmeverlust von dem Schmelzsalzelektrolyten.The circuit is completed by the common conductor 21 connected between the pair of cells. During the subsequent half cycle, the remaining diodes conduct to charge the remaining cell of each pair of cells, whereby in turn, current flows through the common conductor 21. This system has a number of advantages such as ease of use from only one transformer wiring for each pair of cells and the use of only one half-wave rectifier or a diode for each individual cell. The system also minimizes the number of conductors emerging from the high temperature battery enclosure must be led out to the battery charging components, which are kept at a lower temperature. This diminishes the heat loss from the fused salt electrolyte.
Weitere wichtige Merkmale des Betriebs dieses Zellenausgleichsoder Ä'qualisationssystems bestehen darin, daß durch Anlegen eines elektrischen Stromes in Rechtwellenform die Maximalladung in einer gegebenen Zeitperiode erhalten werden kann. Dies erfolgt ohne Überschreitung von Spannungsgrenzen, was andernfalls die Korrosion einzelner Zellenkomponenten zur Folge haben würde, und zwar geschieht dies ohne Nachteile infolge der Wechselwirkungen benachbarter Zellenladeströme. Ferner macht ein einziger Spannungsregulator auf der Transformatorprimäreingangsseite es unnötig, eine Spannungsregulierung von jeder der Transformatorsekundärwicklungen vorzusehen, die eine gleiche Anzahl von Windungen besitzen. Spannungstörungen, die in einer Wechselstromnetzquelle auftreten können, werden in einer Glättungs- oder Filterschaltung entfernt, um die Verwendung von maximaler Spannung zu gestatten, und zwar ohne dabei in Spannungspegel zu gelangen, welche eine Korrosion innerhalb der Zelle hervorrufen könnten.Other important features of the operation of this cell balancer or Equalization system consist in that the maximum charge in a given time period. This is done without exceeding voltage limits, which would otherwise lead to corrosion individual cell components would result, and this happens without any disadvantages as a result of the interactions between neighboring cells Cell charging currents. Furthermore, a single voltage regulator on the transformer primary input side makes it unnecessary to have one Provide voltage regulation of each of the transformer secondary windings which have an equal number of turns. Voltage disturbances that can occur in an AC mains source are removed in a smoothing or filter circuit, to allow the use of maximum voltage without getting into voltage levels that would cause corrosion within the cell.
Fig. 4 veranschaulicht die Arbeitsweise der Zellenäqualisationsschaltung für eine Batterie mit 300 Ah-FeS/LiAl-Zellen. Jede dieser Zellen innerhalb der Batterie sind halbwellenmäßig parallel zu einer der Sekundärspulen oder Wicklungen 19 des Transformators 15 verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Spannung an jedem der Gleichrichterausgänge wird derart reguliert, daß im LeerlaufzustandFigure 4 illustrates the operation of the cell equalization circuit for a battery with 300 Ah FeS / LiAl cells. Any of these Cells within the battery are half-wave parallel connected to one of the secondary coils or windings 19 of the transformer 15 as shown in FIG. The tension on each of the Rectifier outputs are regulated so that in the idle state
7088 8 5/10087088 8 5/1008
- γί - - γί -
oder beim Stromausgang Null der Wert nicht die Begrenzungsspannung übersteigt, bei der unerwünschte elektrochemische Reaktionen auftreten, d.h. der Wert ist nicht größer als ungefähr 1,6 V für dLe FeS/LiAl-Zelle. Infolge des Widerstandes innerhalb der Leiter,beispielsweise ungefähr 0,05 Ohm für 2 M eines 14 U.S.-Gauge-Drahtes, wird die Spannung an der Zelle etwas weniger als dieser Maximalwert sein, bis der Ladestrom sich bei nahezu vollständiger Ladung dem Wert Null nähert. Wie man aus Fig. 4 erkennt, ist der Ladestrom ziemlich konstant, bis u ungefähr 0,98 erreicht und fällt dann ab, was gestattet, daß diejenigen Zellen mit einem niedrigen Ladungszustand aufholen können und eine Äqualisierung mit den Zellen in einem höheren Ladungszustand auftritt. Die Äqualisierung tritt daher dann auf, wenn sämtliche Zellen sich dem voll geladenen Zustand nähern.or if the current output is zero, the value does not exceed the limit voltage at which undesired electrochemical reactions occur, i.e. the value is not greater than approximately 1.6 V for dLe FeS / LiAl cells. As a result of the resistance within the Conductor, for example about 0.05 ohms for 2M of 14 U.S. gauge wire, the voltage across the cell will be slightly less than this maximum value until the charging current approaches zero when the charge is almost complete. As can be seen from Fig. 4, the charge current is fairly constant until u reaches about 0.98 and then drops off, allowing those cells with a low state of charge can catch up and an equality occurs with the cells in a higher state of charge. the Equalization therefore occurs when all cells approach the fully charged state.
Die Erfindung sieht somit ein Batterieladesystem vor, welches unkompliziert ist und zur Aufladung von beispielsweise einer Fahrzeugbatterie mit hohen Ladegeschwindigkeiten über mehrere Zyklen hinweg verwendet werden kann, und welche sodann periodisch die Ladung innerhalb der einzelnen Batteriezellen äqualisiert. Das System minimiert den Wärmeverlust aus der Hochtemperaturbatterie und minimiert auch das Aufprägen von übergroßen Ladespannungen an einzelne Zellen, was eine Korrosion der Zellenkomponenten zur Folge haben könnte. Das verbesserte Verfahren zur Ladung einer elektrochemischen Batterie gestattet die Verwendung einer Hochgeschwindigkeitsladevorrich-tung zum Zwecke des Erhalts einer maximalen Ladegeschwindigkeit ohne Begrenzungsspannungen zu übersteigen. Das Verfahren gestattet ferner die Zellenladungsäqualisation an zweckmäßigen und bequemen Intervallen, beispielsweise wöchentlich.The invention thus provides a battery charging system which is uncomplicated and for charging, for example, a Vehicle battery can be used with high charging rates over several cycles, and then periodically equalizes the charge within the individual battery cells. The system minimizes heat loss from the high-temperature battery and also minimizes the impression of excessive charging voltages on individual cells, which could result in corrosion of the cell components. The improved procedure for charging an electrochemical battery allows the use of a high speed charger for the purpose obtaining a maximum charging speed without exceeding limit voltages. The procedure also allows the Cell charge equalization at convenient and convenient intervals, such as weekly.
Zusammenfassend sieht die Erfindung also ein Batterieladesystem vor, welches eine erste Ladeschaltung verbunden in Serie mit einer Vielzahl von Batteriezellen aufweist, um eine gesteuerte Stromladung vorzunehmen; eine zweite Ladeschaltung legt eine gesteuerte Spannung an jede einzelne Zelle an, und zwar für eine Xqualisation der Zellen auf einen vollständig geladenen Zustand;In summary, the invention thus provides a battery charging system before, which has a first charging circuit connected in series with a plurality of battery cells to a controlled one To carry out electricity charging; a second charging circuit applies a controlled voltage to each individual cell, for one Xqualization of cells to a fully charged state;
708885/1008708885/1008
273411Q273411Q
diese gesteuerte Spannung wird atf einen Peae3 oberhalb der vollständig geladenen Leerlaufspcnnung bestimmt, aber auch auf einen hinreichend niedrigen Pegel/ um die Korrosion der Zellenkomponenten durch elektrochemische Reaktion zu verhindern; in dieser zweiten Schaltung für die Zellenäqualisation empfängt eine Transformatorprimärseite eine genau regulierte Rechteckwellenspannung, die mit einer Vielzahl von gleichen Sekundärspulenwicklungen gekuppelt ist; jede Sekundärwicklung is~ parallelgeschaltet zu jeder Zelle eines in Serie geschalteten Paars von Zellen über Halbwellengleichrichter und einen geteilten oder gemeinsamen Zwischenleiter.this controlled voltage is atf a peae3 above the fully charged idle voltage determined, but also on a sufficiently low level / around the corrosion of the cell components prevent by electrochemical reaction; receives in this second circuit for cell equalization a transformer primary a precisely regulated square wave voltage, which is made with a multitude of equal secondary coil windings is coupled; each secondary winding is connected in parallel to each cell and is connected in series Pairs of cells via half-wave rectifiers and a shared or shared intermediate conductor.
70-8885/ 100870-8885 / 1008
Leelee rf 1* i \ rf 1 * i \
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